Оптимизация магнитометрических систем на основе высокотемпературных СКВИДов с использованием сверхмалошумящих усилителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Уханский, Николай Николаевич

• Уханский, Николай Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Уханский, Николай Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СКВИДов. ПРОБЛЕМЫ СОГЛАСОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ.

§1.1. Методы снижения шумов усилительных трактов магнитометрических систем. I g

§ 1.2. Схемы регистрации сигналов СКВИДа.

§1.3. Применения СКВИДов в сканирующей магнито - микроскопии.

§ 1.4. Задача оптимизации согласования ВТ СКВИДов с непосредственно связанным усилителем.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

§2.1. Малошумящие усилители непосредственного усиления сигналов СКВИДа.

§ 2.2. Модель биполярного транзистора с учетом шумовых параметров.

§ 2.3. Оптимизация параметров сверхмалошумящего охлаждаемого усилителя. ^g

§2.4. Оптимизация шумовых параметров сверхмалошумящих усилителей. ^

§ 2.5. Методики измерения шумовых параметров сверхмалошумящих усилителей.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ С НЕПОСРЕДСТВЕННО СВЯЗАННЫМ УСИЛИТЕЛЬНЫМ ТРАКТОМ.

§3.1. Особенности СКВИД-электроники на основе непосредственно связанного предусилителя. g ^

§ 3.2. Методика расчета основных параметров магнитометра.

§3.3. Безмодуляционный широкополосный ВТ СКВИД-магнитометр. Основные характеристики и результаты измерений. gg

§ 3.4. Широкополосный ВТ СКВИД-магнитометр с активной схемой смещения СКВИДа. ^

§3.5. Результаты измерений вольт-полевых характеристик и шумовых спектров магнитометра при различных режимах смещения СКВИДа. j q^

ГЛАВА 4. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ТРАКТЫ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ СО ЗНАКОПЕРЕМЕННЫМ СМЕЩЕНИЕМ.

§ 4.1. Методика измерения параметров магнитометров со знакопеременным смещением. j ^

§ 4.2. Шумовые параметры градиентометров с охлаждаемым усилителем LNA-1815. П

§ 4.3. Методика повышения частоты знакопеременного смещения СКВИДа. т

§ 4.4. Основные динамические и шумовые параметры широкополосной схемы со знакопеременным смещением. ^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация магнитометрических систем на основе высокотемпературных СКВИДов с использованием сверхмалошумящих усилителей»

Работа посвящена разработке нового класса криогенных усилителей на основе биполярных транзисторов и оптимизации магнитометрических систем с их использованием. В работе предложены методы повышения быстродействия и расширения рабочего диапазона частот безмодуляционных магнитометров на основе сверхпроводящих квантовых интерферометрических датчиков (СКВИДов). Разработаны способы повышения чувствительности магнитометрических систем путем выбора режима питания высокотемпературного (ВТ) СКВИДа и увеличения частоты знакопеременного смещения.

Преведены результаты исследования фундаментальных шумов СКВИДов с джозефсоновскими переходами типа STEP - adge и Bicrystal в широком диапазоне частот.

Актуальность работы

Как известно, многие открытия, носящие фундаментальный характер, сделанные во второй половине 20-го века, оказались возможны только потому, что экспериментаторами были уже созданы достаточно чувствительные методы измерений.

Особую важность при этом приобретает необходимость в увеличении точности измерения малых магнитных полей. Это обусловлено тем, что многие физические величины - такие, как магнитная индукция, её градиент, ток, напряжение и многие другие достаточно легко преобразовать в магнитный поток.

Наибольшей чувствительности в измерении магнитного поля в настоящее время достигают, используя устройства на основе СКВИДов.

Традиционные, так называемые низкотемпературные (ИТ), ниобиевые сверхпроводящие квантовые интерферометры, работающие при температуре кипения жидкого гелия (Т = 4,2 К), достаточно надежно зарекомендовали себя в качестве датчиков магнитного поля и завоевали обширные области применения в различных модификациях магнитометров, измерителях магнитной восприимчивости вещества, пикоамперметров и пиковольтметрах. В настоящее время низкотемпературные СКВИДы успешно используются в фундаментальных исследованиях в физике, биологии, медицине, геофизике и других областях науки. Однако постоянная потребность в жидком гелии и, главное, специфика работы с ним сильно ограничивают возможности и круг применения приборов данного класса.

После открытия в 1986 году К. Мюллером и Дж. Беднорцем новых сверхпроводящих материалов - высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе пленок состава типа У]Ва2Сиз07.х [1]> имеющих высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тс (на сегодняшний день уже известны материалы с Тс около 93 К) появилась уникальная возможность решить вопросы криообеспечения с помощью жидкого азота или других недорогих криоохладителей, и таким образом значительно расширить диапазон применения приборов, созданных на базе сверхпроводников, в том числе и СКВИДов. В настоящее время уже существует ряд тонкопленочных технологий, позволяющих создавать надежно работающие ВТ СКВИДы, реально достигнутые параметры которых, уже позволяют им конкурировать с их низкотемпературными предшественниками.

Однако использование ВТ СКВИДов в магнитометрических каналах наталкивается на ряд трудностей и нерешенных проблем, которые не позволяют в полной мере реализовать предельные шумовые и динамические характеристики ВТ СКВИДов. Прежде всего, здесь необходимо отметить относительно низкие (обычно не более 30 jiV) по сравнению с НТ СКВИДами (до 150 jiV) абсолютные значения выходного сигнала. Это в свою очередь накладывает довольно жесткие ограничения на уровни

1/2 собственных шумов усилителей (не более 0,2 - 0,3 нВ/Гц1"), непосредственно усиливающих сигнал СКВИДа. Необходимо также учесть и наличие согласующего трансформатора. Его узкая полоса не позволяет реализовать наиболее выгодный с точки зрения шума для ВТ СКВИДов рабочий диапазон частот (более 100 кГц), что существенно ограничивает быстродействие всей системы и не позволяет использовать магнитометр в стандартных неэкранированных условиях (скорость работы обратной связи системы должна всегда превышать скорость изменения входного сигнала). Вплоть до последнего времени попытки реализации наиболее перспективных схем магнитометров без согласующего трансформатора привели к созданию ВТ СКВИДов особой конструкции [2, 3] с ограниченным динамическим диапазоном, дорогих в изготовлении и сложных в настройке.

Таким образом, разработка новых сверхмалошумящих усилителей, работающих при той же температуре, что и ВТ СКВИДы с уровнем шума порядка 0,22 нВ/Гц1/2 и ниже, а так же магнитометрических каналов на их основе, является актуальной задачей. Решение этой задачи позволит создать многофункциональный электронный комплекс, являющийся составной частью многих измерительных систем. При этом можно выделить три основных аспекта, подчеркивающих актуальность решаемой задачи. Во-первых, быстродействующие электронные системы для СКВИДов представляют значительный интерес для большинства практических применений, особенно если идет речь о системах, способных работать в неэкранированных условиях, например, в установках на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или в многоканальных магнитометрах. Во-вторых, использование новых сверхмалошумящих усилителей позволит вплотную приблизить реальные параметры ВТ СКВИД магнитометров к их низкотемпературным предшественникам. В биомагнитных исследованиях это позволит производить широкий комплекс измерений сигналов сердца, коры головного мозга и т. п., также появляется реальная возможность создания недорогих амбулаторных установок для биомагнитных исследований в неэкранированных помещениях. В-третьих, с созданием сверхмалошумящих усилителей и развитием безмодуляционной методики измерений, появляется уникальная возможность для фундаментальных исследований шумовых свойств самих СКВИДов и других джозефсоновских датчиков.

В связи с этим целью данной работы явилась реализация новых перспективных возможностей использования магнитометрических каналов на основе сверхмалошумящих усилителей, способствующая созданию принципиально нового класса измерительных каналов, работающих при температуре жидкого азота (77 К) в составе магнитометров, а также оптимизации их параметров в конкретных прикладных задачах.

В связи с поставленной целью в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить параметры модели малошумящих усилителей, способных работать в непосредственной связи с ВТ СКВИДом при криогенных температурах до 77 К без согласующих трансформаторов.

2. Теоретически обосновать выбор схемотехнического решения конкретных типов охлаждаемых малошумящих усилителей, которые могут использоваться в различных магнитометрических системах.

3. Разработать схемотехнические решения усилителей с уровнем шума

1 /"У порядка 0,22 нВ/Гц на биполярных транзисторах, способных работать в диапазоне температур от 77 К до 300 К.

4. Исследовать различные режимы работы СКВИДов с целью повышения их чувствительности, быстродействия и расширения частотного диапазона.

5. Создать методику и провести измерения шумовых спектров различных ВТ СКВИДов с помощью разработанных охлаждаемых усилителей.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны усилители на биполярных транзисторах для непосредственной связи с ВТ СКВИДами, способные работать в составе сенсора при криогенных температурах до 77 К и имеющие уровень

1 /9 спектральной плотности шума 0,12 нВ/Гц .

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований подтверждено преимущество использования усилителей на биполярных транзисторах в составе сенсора с непосредственной связью с ВТ СКВИДом при температуре 300 К. При этом впервые достигнут уровень спектральной

11I плотности шума 0,26 нВ/Гц .

3. Проведено моделирование и созданы экспериментальные образцы электронных усилителей постоянного тока на основе серийных дискретных элементов с частотой среза шума типа 1/f порядка 1 Гц.

4. Предложена методика активного смещения СКВИДа, позволившая провести исследования его шумовых спектров и показать значительный вклад шумовой компоненты, обусловленной механизмом самораскачки флуктуаций напряжения на СКВИДе, вследствие его джоулева саморазогрева.

5. Разработана методика оптимизации канала знакопеременного смещения магнитного потока СКВИДа с целью увеличения чувствительности, быстродействия системы путем повышения частоты знакопеременного смещения до 50 МГц.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана методика построения сверхмалошумящих усилителей на основе биполярных транзисторов, способных работать в широком диапазоне температур с частотой среза шума типа 1/f ниже 1 Гц. Создано несколько вариантов сверхмалошумящих усилителей для практического использования в СКВИД - магнитометрических системах.

2. Разработана схемотехника для построения СКВИД магнитометрических систем на основе криогенных усилителей, работающих в мегагерцовом диапазоне частот. Проведены расчеты их основных параметров.

3. Предложены методы по увеличению чувствительности, расширению частотного диапазона и скорости слежения ВТ СКВИД магнитометрических систем.

4. Разработана широкополосная (до 40 МГц) высокочувствительная

1 /9 1 /-у

0,12 нВ/Гц и 7 пА/Гц ) схемотехника для систем с универсальным активным смещением СКВИДов.

5. Выведены основные соотношения для расчета и проведены расчеты основных параметров для систем с универсальным активным смещением СКВИДов.

6. Разработаны и испытаны широкополосные схемы с использованием сверхмалошумящих усилителей и с высокочастотным знакопеременным смещением до 50 МГц. Это позволило увеличить чувствительность ВТ СКВИДов на 30 - 70 %, расширить рабочий диапазон частот (более 1 МГц) и увеличить скорость слежения (более 10 Ф0/сек, здесь Ф0 - элементарный квантовый поток: Ф0= h/2e = 2,05-10'15 Вб).

Основное содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу публикаций, касающихся основных принципов работы ПТ СКВИДов (т.н. СКВИДы постоянного тока), их параметров и применению в биологии, медицине и сканирующей магнито - микроскопии. Особое внимание уделено источникам шумов СКВИДов в низкочастотной области спектра и методам возможного их снижения. Проведен теоретический расчет параметров согласования малошумящего усилителя с непосредственно связанным ВТ СКВИДом на основе математической модели идеализированного усилителя.

Во второй главе моделируются малошумящие усилители на биполярных транзисторах. Обосновываются преимущества их использования в непосредственной связи со СКВИДом на основе анализа известных схем.

Предложены схемотехнические решения построения сверхмалошумящих усилителей постоянного тока. Приведены основные этапы разработки и параметры охлаждаемого усилителя (LNA-2549), включающие принципы минимизации уровня белого шума, снижения шума типа 1/f, уменьшения шума, вызванного термофлуктуацией параметров, минимизации количества дискретных элементов в схеме, увеличения коэффициента подавления внешних синфазных наводок, расширения рабочего диапазона частот, увеличения частоты, снижения потребляемой мощности, стабилизации параметров усилителя. Рассмотрены особенности использования, возможные схемы подключения предусилителя к ВТ СКВИДу и области его применения.

Представлены характеристики моделей сверхмалошумящих усилителей (LNA-1815, LNA-1617, LNA-1618 и LNA-1217) с максимально достигнутыми на сегодняшний день шумовыми параметрами:

1 /9 а) уровнень белого шума до 0,12 нВ / Гц , б) часта среза шума типа 1 / f до 0,05 Гц.

Разработаны методики измерения и расчета основных динамических и шумовых характеристик этих усилителей, представлены внешний вид и таблицы с их основными параметрами. Разработана методика шумовых измерений для усилителей, используемых в схемах с активным смещением.

В третьей главе исследуются быстродействующие безмодуляционные магнитометры с постоянным смещением СКВИД - сенсоров на основе разработанных предусилителей. Проведен расчетный анализ основных параметров для двух систем с максимальной рабочей полосой 1 МГц и 5 МГц и быстродействием 106 Фо/сек и 3-Ю6 Ф0/сек соответственно, согласующийся с результатами экспериментальных измерений. Для обеспечения высокочувствительных измерений в неэкранированных условиях, были реализованы:

1 /О а) низкий уровень белого шума (0,23 нВ/Гц ) предусилителя на частотах выше частоты среза шума типа 1/f (около 3 Гц), позволивший использовать СКВИДы с крутизной вольт - полевой характеристики (ВПХ) около 30 мкВ/Фо без дополнительных согласующих трансформаторов и без использования техники модуляции потока;

1 /О б) большой динамический диапазон: 148 дБ-Гц или ±500 Фо, позволивший системе устойчиво работать с сигналами, изменяющимися со скоростью до 3-Ю6 Фо /с. Эта возможность обусловлена, во-первых, высоким собственным коэффициентом усиления (G = 3300 в полосе частот 370 кГц) предусилителя, во вторых, использованием двухполярного интегратора вместо обычного. При этом первому полюсу интегратора соответствовала постоянная времени Х\ = 0,7 мс (fj = 1,3 кГц), второму - т2 = 2 мкс (f2 = 500 кГц); в) режим автоматического перезахвата обратной связи системы, поддерживаемый ограничением коэффициента усиления интегратора на низких частотах и введением дополнительной цепи для разряда емкости интегратора.

Разработана безмодуляционная магнитометрическая система с активным смещением питания СКВИД - сенсора. Приведены принципиальная схема, методика расчета основных параметров и результаты, находящиеся в хорошем согласии с экспериментом.

Отличительной особенностью данной системы является наличие регулировки выходного сопротивления системы Reff на низких частотах от 0,0002 Ом до 50 Ом.

В измерениях использовалось три способа смещения СКВИДа: а) смещение током (I - смещение), когда R^ » Rsquid; б) смещение напряжением (V - смещение), Reff « Rsquid; с) смещение мощностью (Р - смещение), при этом RefT « Rsquid

Максимальная чувствительность СКВИД - градиентометра So = 6 мкФо/Гц (эквивалентный уровень шумового напряжения

1/9 11I -.

Sy = 0,085 нА/Гц ) была измерена для частот более 10 кГц при R^ « RSQUID (Р - смещение). Сравнение трех шумовых спектров, снятых для одного и того же СКВИД - градиентометра в системе смещения тока (I - смещение) и для двух режимов в системе активного смещения показывает, что в первом случае уровень шума в 1,5 и 2 раза выше, чем в двух других в режимах V - и Р - смещения соответственно.

В сравнении со стандартным режимом I - смещения датчика, в режимах V - и Р - смещения наблюдается так же значительное снижение частоты среза шума типа 1 / f (обусловленного температурными флуктуациями СКВИДов) в низкочастотной области спектра датчика (примерно в 10 раз), благодаря использованию общей особенности температурного поведения сверхпроводящих туннельных приборов, а именно: 81/дТ | v < 0.

Представлены результаты проведенных измерений вольт-полевых характеристик системы с активным смещением сенсора для различных значений Reff.

В четвертой главе описаны магнитометры со знакопеременным смещением СКВИД - сенсоров на основе сверхмалошумящих предусилителей. Проведена адаптация стандартного измерительного канала фирмы Philips для схемы со знакопеременным смещением. Для анализа полученных результатов впервые были проведены прямые измерения шумового спектра ВТ СКВИДов без использования техники модуляции и потокозапирающих схем в диапазоне частот до 100 кГц и более.

1/0 I/O

Максимальное значение чувствительности S<j> = 2,9 мкФ0/Гц было достигнуто для STEP - ADGE СКВИДов в диапазоне частот более 100 Гц.

На основе полученных результатов можно сделать вывод о значительных преимуществах использования знакопеременного смещения по сравнению с обычной модуляционной электроникой с постоянным током смещения для ВТ СКВИДов. Уменьшение уровня белого шума при этом составило от 1,7 раза (в случае использования СКВИДов на бикристаллической подложке) до 3 раз (в случае использования STEP -ADGE СКВИДов). Так же показано, что использование низкошумящих криогенных предусилителей на входе системы вместо трансформатора увеличивает чувствительность системы в 1,4-2 раза, что обусловленно: а) достаточно высоким уровнем собственного шума трансформаторов (шум Найквиста обмоток и флуктуации магнитного потока сердечников), б) потерями сигнала, вызванными неоптимальным шумовым согласованием СКВИДа и трансформатора, в) повышением чувствительности схем со знакопеременным смещением с расширением рабочего диапазона частот, что особенно важно в случае одновременного использования модуляции магнитного потока.

Разработана широкополосная схема со сверхмалошумящим усилителем (LNA-1217) и высокочастотным знакопеременным смещением до 50 МГц. Приведены ее основные динамические и шумовые параметры на основе результатов экспериментальных измерений.

Для увеличения чувствительности и быстродействия системы предложено использовать знакопеременное смещение сенсора с частотой более 1 МГц (до 50 МГц). С этой целью разработана и опробирована методика введения смещения магнитного потока в СКВИД - сенсор для частот более 1 МГц. При этом: а) в случае если СКВИД несимметричен, можно использовать его дополнительную нескомпенсированную индуктивность Ьсквид; б) в случае, если ПТ - СКВИД достаточно симметричен, для введения потока смещения в режиме замкнутой обратной связи используется сигнал обратной связи.

В обоих случаях используется одна и та же методика настройки фазы и амплитуды потока смещения с помощью подстройки частоты и амплитуды тока знакопеременного смещения.

При этом необходимо отметить два основных преимущества данной методики по отношению к стандартному способу введения магнитного потока:

1. в предложенной методике нет принципиального ограничения для увеличения частоты тока знакопеременного смещения;

2. отпадает необходимость в использовании дополнительного сигнала компенсации напряжения смещения на СКВИДе.

На основе этой методики было разработано и испытано несколько вариантов СКВИД - магнитометров.

При использовании ВТ СКВИДа на бикристаллической подложке с

1 /9 размахом ВПХ 24 мкВ и чувствительностью 5 нФо/Гц система имела следующие параметры:

- рабочий диапазон частот A f = 1 МГц,

- рабочий диапазон частот знакопеременного смещения f6 от 3 до 45 МГц,

- максимальная чувствительность по магнитному полю (для f6 « 15 МГц)

1/2 1 /2 составила около 6,4 мкФо/Гц или 32 фТл/ Гц .

Максимальный амплитудный динамический диапазон системы для 1 частот более 3 Гц составляет 144 дВ-Гц (или ± 200 Ф0).

Максимальное быстродействие системы для частот выше 1 кГц п составило 10 Ф0/сек.

Результаты измерений подтвердили предположение о монотонном снижении собственного уровня шума ВТ СКВИДов с ростом частоты (до 20 % для частот от 100 кГц до 15 МГц).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Общие принципы построения высокочувствительных магнитометрических систем на основе криогенных усилителей на биполярных транзисторах, непосредственно связанных с ВТ СКВИДом.

2. Рекомендации по повышению быстродействия и расширению рабочего диапазона частот в безмодуляционных СКВИД-магнитометрах.

3. Методы повышения чувствительности магнитометрических систем путем выбора режима питания ВТ СКВИДа и увеличения частоты знакопеременного смещения.

4. Результаты исследования фундаментальных шумов СКВИДов с джозефсоновскими переходами типа STEP - adge и Bicrystal в широком диапазоне частот от 0,1 до 100 000 Гц.

Апробация результатов.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. V Международной конференции по сверхпроводящей электронике (ISEC'95), Нагойя, Япония ,18-21, 1995.

2. VIII, IX, X Российско - Украинско - Германский семинары по высокотемпературной сверхпроводимости. Львов 1995г., Габельбах, Германия 1996г, Нижний Новгород, Россия 1997 г.

3. Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (ASC'96), Питтсбург, США, август, 25-30, 1996.

4. Международный симпозиум по слабой сверхпроводимости (WSS'96), Смоленице, Словацкая республика, август 4-7, 1996.

5. VI Международная конференция по сверхпроводящей электронике (ISEC'97), Берлин, Германия, июнь 25-28, 1997.

7. Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (ASC-98), Калифорния, США, июнь 1999.

8. IV Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (EUCAS'99), Барселона, Испания, сентябрь 14 - 17, 1999.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 11 - представлены в материалах конференций, 2 - изобретения. Список работ автора приведен в конце диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения и списка литературы, включающего 82 наименования. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинописного текста. Работа содержит 44 рисунка и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Уханский, Николай Николаевич

Основные результаты, полученные в данной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Разработаны непосредственно связанные малошумящие усилители, позволяющие использовать датчики на основе ВТ СКВИДов в неэкранированных условиях (томография, многоканальная магнитометрия и ДР-)

2. Разработана и внедрена методика улучшения согласования усилителей и СКВИД - датчиков, находящихся в непосредственной связи.

3. Разработана схема оптимизации режимов работы СКВИДа с целью расширения рабочей полосы частот и увеличения чувствительности магнитометрических систем.

4. Проведено исследование шумовых и динамических параметров моделей биполярных транзисторов, используемых в сборках МАТ-02 и МАТ-03 и схем на их основе с использованием програмного обеспечения Spice и MicroSim Corporation.

5. Развито направление в использовании ВТ СКВИД магнитометрических систем на основе биполярных транзисторных усилителей, способных работать при криогенных температурах до 77 К в непосредственной близости от сенсора.

6. Разработана методика построения электронных усилителей постоянного тока с частотой среза шума типа 1/f ниже 1 Гц и уровнем

1/2 1/2 спектральной плотности шума до 0,12 нВ/Гц и 0,26 нВ/Гц при температуре кипения жидкого азота (77 К) и при комнатной температуре (300

К) соответственно.

7. Созданы сверхмалошумящие охлаждаемые усилители LNA-2549, LNA-1815, LNA-1617, LNA-1618 и LNA-1217, применяемые в практических разработках.

8. Разработаны принципы построения высокочувствительных СКВИД

- магнитометрических систем на основе криогенных усилителей, с использованием ПИ - регулятора, работающих в мегагерцовом диапазоне частот. Проведены расчеты их основных параметров. Предложены методы по увеличению их чувствительности, расширению частотного диапазона (более 10 МГц) и быстродействия порядка 107 Ф0/сек.

9. Доказано, что использование криогенных биполярных предусилителей для непосредственной связи с ВТ СКВИДами обладает преимуществом по сравнению с другими типами непосредственно связанных систем, работающих при комнатной температуре, которое заключается в улучшении шумового согласования и расширении частотного диапазона СКВИД - систем.

10. Показано, что использование непосредственно связанных с ВТ СКВИДом криогенных предусилителей на биполярных транзисторах позволяет в несколько раз снизить собственный уровень шума усилительного

1 ул канала (до 0,12 нВ/Гц ) и добиться более оптимального шумового согласования с сенсором по сравнению с методом использования модуляции

- демодуляции входного сигнала.

11. Предложена и разработана методика активного смещения СКВИДов, позволяющая плавно менять режим смещения на сенсоре между режимом смещения тока и напряжения. Выведены основные соотношения и проведены расчеты основных параметров для этой системы.

12. Исследовано шумовое поведение ВТ СКВИДов в различных режимах активного смещения сенсора методом непосредственного измерения шумового спектра. В результате доказано, что для ВТ СКВИДов механизм самораскачки флуктуаций напряжения на СКВИДе вследствие его джоулева саморазогрева вносит значительный вклад в общий шумовой спектр.

13. Показаны преимущества активной схемы смещения ВТ СКВИДа, которая позволяет увеличить чувствительность системы в 1,4 - 2 раза по сравнению со схемой смещения тока на СКВИДе и снизить частоту среза шума типа 1/ f до 10 раз.

14. Проведены непосредственные измерения спектров шумов на СКВИДах с джозефсоновскими переходами типа STEP - adge и Bicrystal в широком диапазоне частот от 0,1 до 100 ООО Гц для различных рабочих точек на ВПХ без использования техники модуляции входного сигнала и потокозапирающих схем. При этом установлено, что в ВТ СКВИДах преобладает синфазная со входным сигналом шумовая компонента сигнала до частот порядка 100 кГц.

15. Предложена и разработана методика введения потока смещения в систему со знакопеременным смещением СКВИДа с целью увеличения частоты знакопеременного смещения до 50 МГц и увеличения чувствительности системы.

16. Показано, что увеличение частоты знакопеременного смещения ВТСП СКВИДа со 100 кГц до 7 - 50 МГц увеличивает чувствительность системы на 30 - 70 %, что указывает на наличие флуктуаций критического тока и сопротивления в шумовом спектре ВТСП СКВИДов в мегагерцовом диапазоне частот.

17. Созданы несколько вариантов широкополосных (более 1 МГц и скоростью слежения более 107 Ф0/сек) высокочувствительных схем с использованием сверхмалошумящих усилителей и с высокочастотным знакопеременным смещением до 50 МГц, предназначенных для биомагнитных и геомагнитных измерений в неэкранированных условиях.

В заключение автор считает своим приятным долгом искренне поблагодарить доктора физ.-мат. наук, профессора Бобрешова А. М. за руководство и постоянную подержку в работе. Автор выражает свою признательность доктору физ.-мат. наук А. Н. Снигиреву О. В. (МГУ), профессору Зайделю П. (Seidel P., FSU - Jena), доктору Майеру Х.-Г. (Meyer H.-G., IPHT-Jena), за неоценимое содействие при проведении экспериментов и обсуждении результатов работы. Хотелось бы особо поблагодарить канд. физ.-мат. наук Гудошникова С. А. (ИЗМИРАН) за помощь и постояный интерес на многих этапах работы. Автор выражает свою глубокую благодарность канд. физ.-мат. наук Алмалиеву А.Н., канд. физ.-мат. Дивину Ю. Я., канд. физ.-мат. наук Закосаренко В. М., доктору физ.-мат. наук Ильичеву Е. В., профессору Грайцару М. (Grajcar М., Братиславский Университет, Словакия), сотрудникам FSU - Jena: доктору Дорреру JI. (Dorrer L.), доктору Шмиделю Ф. (Schmidl F.) сотруднику IPHT - Jena Штольц P. (Stolz R.) за постоянное участие и поддержку в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Уханский, Николай Николаевич, 2003 год

1. Bednory J.G. Possible High Тс Superconductivitz in the Ba La - Cu - О

2. System/J.G. Bednory, K.A. Muller // Z. Physik, 1986. V.64. - P. 189.

3. Drung D. A 5-MHz bandwidth SQUID magnetometer with additionalpositive feedback/ D. Drung, H. Matz, H. Koch// Rev. Sci. Instrum. -1995.-V.66.-№4.-P. 3008.

4. Low noise YBCO SQUID magnetometers operated with additionalpositive feedback/ D. Drung, E. Dantsker, F. Ludwig, H. Koch, R. Kleiner, J. Clarke, S. Krey, D. Reimer, B. David, O. Doessel// Appl. Phys. Lett. 1996. - V. 68. - P. 1856.

5. Quantum limited ac biased SQUID magnetometr /А.Р. Long, R.J.

6. Prance, T.D. Clark et al.// In: SQUID'80: Superconducting quantum interference devices and their application, ed. Hahlbohm H. D. and Lubbig H., Berlin, New York. 1980. - P. 207.

7. Superconducting quantum interference devices and their application/ed. Hahlbohm H. D. and Lubbig H// Berlin, New York. 1985. - P. 1238.

8. Cryogenic instruments and systems. S. H. E. Corporation, 1976, 1980,

9. San Diego, CA 92121.-P. 87.

10. Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов/

11. К.К. Лихарев. М.: Наука, 1985. - 320 с.

12. Кларк Дж. Сверхпроводящие квантовые интерференционныеприборы для низкочастотных измерений/ Дж. Кларк, В сб. "Слабая сверхпроводимость", под ред. Шварца Б. Б. и Фонера С. М.: Мир, 1980.-267 с.

13. Бароне А. Эффект Джозефсона: Физика и применения/ А. Бароне,

14. Патерно Дж.: Пер. с англ. М. : Мир. 1984. - 640 с.

15. Clarke J. Thin-film D4C 1 SQUID with low noise and drift /J. Clarke,

16. W-M. Oxiban, M.B. Ketchen // Appl. Phys. Lett. 1975. - V.27. -P.155.

17. Van Harlingen D.J. DC SQUID near the quantum noise limit / D.J. Van

18. Harlingen, R.H. Koch, J. Clarke // Physica.- 1981. V. - С108. -P.10831.

19. Ketchen M.B. DC SQUIDS 1980: The state of the art / M.B. Ketchen//

20. EE Trans, on Magn.- 1980.- V.MAG 17. - №1. - P. 387.

21. Jaklevic R. Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling / R.

22. Jaklevic, J. Lambe, A.H. Silver, J.E. Mercereau// Phys. Rev. Lett. -1964.-V.12.-P. 159.

23. Zimmerman J.E. Quantum Effects in Type II Superconductor/ J.E.

24. Zimmerman, A.H. Silver // Phys. Lett. 1964. - V. 10. - P. 47.

25. Ландау JI.Д. Теория конденсированного состояния/ Л.Д. Ландау,

26. И.М. Лифшиц. Теоретическая физика. Статистическая физика, 4.2 T.IX, М.: Наука, 1997. - 448 с.

27. Josephson B.D. Possible new affects in superconducting tunneling/

28. B.D.Josephson // Phys. Lett. 1962. - V. 1. - P. 251.

29. Лихарев К. К. Системы с джозефсоновскими контактами/К.К. Лихарев, Б.Т. Ульрих. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. - 446 с.

30. Clarke J. Superconducting quantum interference devices for low frequency measurements/ Superconductor Applications: SQUIDs and Machines, Ed. by B.B. Schwartz and S. Foner; Plenum Press, New York, 1977.-P. 67.

31. Кларк Дж. Принципы действия и применение СКВИДов/Дж. Кларк// ТИИЭР. 1989. - Т. 77. - № 8. - С. 118.

32. Tesche C.D. DC SQUID: noise and optimization/ C.D. Tesche, J. Clarke

33. J. Low Temp. Phys. 1977. - V. 29. - P.301.

34. Бисли М.Р. Тонкие пленки высокотемпературных сверхпроводников/ М.Р. Бисли// ТИИЭР. 1989. - Т. 77. - № 8. -С. 57.

35. Low noise Yba2Cu307.5 grain boundary junction dc SQUIDs/ R.

36. Gross, P. Chaudhari, M. Kawasaki, M.B. Ketchen, A. Gupta // Appl. Phys. Lett. 1990. - V. 57. - P. 727.

37. Characteristics of Yba2Cu3075 grain boundary junction dc SQUIDs

38. R. Gross, P. Chaudhari, M. Kawasaki, M.B. Ketchen, A. Gupta // IEEE Trans, on Magn. 1991. -V. 27. - №2. - P. 2565.

39. Flicker (1/f) noise in tunnel junction DC SQUIDs / R.H. Koch et al. //

40. J. Low Temp. Phys. 1983. - V. 51. - P. 207.

41. Low magnetic flux noise observed in laser deposited in films of

42. Yba2Cu3Oy and implications for High Tc SQUIDs/ M. J.Ferrari et al.// Nature. - 1989. - V. 341. - P. 723.

43. Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и ихприменения/ перевод с англ. под ред. Шварца Б. Б. и Фонера С. -М.: Мир, 1980,237 с.

44. London F. Superfluids /F. London. New York.: Wiley, 1950. - 254 p.

45. Apparatus for reducing low frequency noise in dc biased SQUIDs /

46. B. Michael, R.P. Simmonds, P. Giffard// US Patent 4,389,612, June 21, 1983.

47. Drung D. Advanced SQUID read-out electronics/ in H. Weinstock (ed.),

48. SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication and Application, 63-116, 1996 Kluwer Academic Publisher.

49. Buxton J.L. A superconducting system for high sensitivity measurementof Pc 1 geomagnetic pulsations/ J.L. Buxton, A.C. Fraser-Smith// IEEE Trans. 1974. - V. GE-12. - № 4. - P. 109.

50. Clarke J. Geophysical applications of SQUIDs / J. Clarke// IEEE Trans.

51. Magn. 1983.-V. 19.-P. 288.

52. Романи С. Аппаратура для исследования биомагнитных полей/ С.

53. Романи, В. Вильямсон, П. Кауфман// Приборы для научных исследований. 1982. - № 12. - С. 3.

54. Матлашев А. Н. Динамическое картирование магнитных полей/канд. дис.) М. -1988 ИРЭ -186 с.

55. Cabrera В. Ultra-low magnetic field apparatures for a cryogenic gyroscope/ B. Cabrera, F.J. Van Kann // Acta Astronaut. 1978. - V.5. -P.125.

56. Advanced superconducting gradiometer/magnitometer arrays andnovel signal processing tecnique / W.M. Wynn et dX.H IEEE Trans. -1975.- V. MAG-11. P.701.

57. SQUID magnetometers for low-frequency application /Т. Ryhanen,

58. H. Seppa, R. Ilmoniemi, J. Knuutila // J. Low Temp. Phys. 1989. - V. 76. - P. 287.

59. A Low-Noise Seven-Channel DC SQUID Magnetometer for Brain

60. Research /M.Kajola et al.// J. of Appl. Phys. 1987. - V. 26. - P. 1555.

61. Cohen D. Magnetoencephalography: detection of the brain's electricalactivity with a superconducting magnetometer/ D. Cohen// Science -1972.- V.175.-P. 664.

62. Integrated dc SQUID magnetometer with high dV/dB/ D. Drung etal.// IEEE Trans. Magn. 1991. - V. MAG-27. - P. 406.

63. High-gain DC SQUID magnetometers with NbN nanobridges/A. Irie,

64. Hamasaki K., Yamashita T. et al.// IEEE Trans. Magn. 1991. - V. -MAG-27. - P. 2967.

65. Houwman E.P., Cantor R., Peters M., et. al., IEEE Trans. Magn. v.

66. MAG-27, March 1991, P. 1147.

67. Relaxation-oscillation-driven dc SQUIDs/S.A. Gudoshnikov et al.//

68. EE Trans. Magn. 1988. - V. 25. - P. 1178.

69. Van der Ziel A. Noise in Solid State Devices and Circuits/ A. Van der

70. Ziel. New York.: Wiley, 1986. - 327 p.

71. Leach W. M., IEEE Trans. Magn., 1994, Vol. 82, pp. 1515-1538.

72. Halgren R.B. Paralleled transconductance ultralow-noice preamplifier/

73. R.B. Halgren// Rev. Scient. Instrum. 1988. - V.59. - P. 492.

74. Giovanni V. P. Noise measurements on junction field effect transistors/

75. V.P. Giovanni, E.Z. Achille// Rev. Scient. Instrum. 1994. - V. 65. -P. 79.

76. Pallottino G.V. JFET cooled amplifier for d.c. SQUID/ G.V.Pallottino,

77. R. Zirizzotti// Cryogenics. 1994. - V.34. - P. 1045.

78. A dc SQUID based Magnetic Microscope Study of the Magnetic

79. Properties of the Ni Thin Film/ S.A. Gudoshnikov, I.I. Vengrus, N.N. Ukhansky et al.// IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 1977. - V. 7. - № 2. - P. 2542.

80. SQUID- based magnetic microscopy of superconducting thin filmsamples/ O.V.Snigirev, S.A. Gudoshnikov et al.//In Proc. Weak Superconductivity Symposium (WSS'96), Smolenice, Slovak Republic. August 4-7, 1996.-P. 165.

81. Unmodulated electronics system for high Tc SQUID magnetometer/

82. S.A. Gudoshnikov, N.N.Ukhansky et al.//In Proc. Weak Superconductivity Symposium (WSS'96), Smolenice, Slovak Republic. August 4-7, 1996.-P. 198.

83. Ukhansky N.N. Diectly Coupled Electronics for HTSC dc SQUID

84. Based Magnetometer/ N.N. Ukhansky, S.A. Gudoshnikov, O.V. Snigirev// In Proc. IX Trilateral Ukrainian-Russian-German seminar on high-temperature superconductivity, Turingi, Gottingen, Germany, 1996.

85. A Liquid-Nitrogen-Cooled Preamplifier in Connection with a High

86. Tc SQUID: Direct Readout and Flux-Locked Loop with ac

87. Bias/N.N. Ukhansky, S.A. Gudoshnikov et al.// In Proc. 6th ISEC97, Berlin, Germany, June 25-28, 1997, eds. H. Koch and S. Knappe, P.80.

88. Direct-Coupled Electronics for HTSC dc SQUID Based Magnetometer /S.A. Gudoshnikov, N.N. Ukhansky et al.// IEEE Trans. Instrum. and Measur. 1997. - V. 46. - №2. - P. 624.

89. Ukhansky N.N. Universal Active dc Biasing System for a High-Tc

90. SQUID based on a Liquid-Nitrogen-Cooled Preamplifier/N.N. Ukhansky, L. Dorrer, F. Schmidl, P. Seidel// IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 1999. - V. 9. - № 2. - P. 4416.

91. Superconducting sensors for weak magnetic signals in combinationwith BiCMOS electronics at 77 К for different applications /Р. Seidel, L. Dorrer et al.// Supercond. Sci. Technol. 2000. - V. 13. - P. 537.

92. Netzer Y. IEEE, v. 69, N 3, 1981, P. 729.

93. Giovanni V. Low-noice FET amplifier for dc SQUID/ V. Giovanni, R.

94. Pallotino, T. Lupi// Rev. Sci. Instrum. 1990. - V. 61. - P. 2436.

95. Daalmans G.M. HTS DC SQUIDs for practical applications/ G. M.

96. Daalmans //Appl. Supercond. 1995. - V. 3. - P. 399.

97. Blackford B.L. Low Impedance Supply for Tunnel Junctions/ B.L.

98. Blackford //Rev. Sci. Instr. 1971. - V.42. - P. 1198.

99. Drung D.Improved dc SQUID read-out electronics with low 1/f noisepreamplifier/ D. Drung // Rev. Sci. Instrum. 1997. - V.68. - P. 4066.

100. Low noise high-speed dc superconducting quantum interferencedevice magnetometer with simplified feedback electronics/ D. Drung, R. Cantor et al.// Appl. Phys. Lett. 1990. - V. 57. - P. 406.

101. Drung D. Low-frequency noice in low Tc multiloop magnetometerswith additional positive feedback/ D. Drung// Appl. Phys. Lett. 1995. -V. 67.-P. 1474.

102. YBb2Cu307.x dc SQUID Magnetomters with Bicrystal Junctions for

103. Biomagnetic Multichannel Applications /F. Ludwig, J.Beyer et al.// ISEC'97, Berlin, Germany, June 25-28, 1997, Extend. Abstr. S-10, V.-3.-P.4.

104. Уханский H.H. ВТ СКВИД магнитометр/ H.H. Уханский, О.В.

105. Снигирев, С.А. Гудошников// Патент на изобретение № 96114760 / 09 (021267), приоритет изобретения 06.08. 1996 г.

106. Shnyrkov V.I. UHF high-Tc SQUID// V.I. Shnyrkov, V.I. Timofeev, S.S. Khvostov, G.M. Tsoi// Mod. Phys. Lett. B. 1991. - V.5. -P.1281.

107. Dolabdjian C. Active voltage biasing of very low impedance devices/ C.

108. Dolabdjian, D. Robbes, E. Lesquey, Y. Monfort// Rev. Sci. Instrum. -1993.-V. 64.-P. 821.

109. Development of heart monitoring system based on thin film high-Tc

110. DC-SQUIDs/ P. Seidel, F. Schmidl et al.// IEEE Trans. Appl. Supercond. 1997. - V. 7. - P.3040.

111. Lam Chok Sing M. A formal presentation and comparative study oflow-frequency noise reduction techniques for direct current superconducting quantum interference devices/ M. Lam Chok Sing, C.

112. Dolabdjian, С. Gunter, D. Bloyet// Rev. Sei. Instr. 1996. - V. 67. -796.

113. Heart monitoring with high-Tc d.c. SQUID gradiometers in anunshielded enviroineni /R. Weidl, S. Brabetz et al.// Supercond. Sei. Technol. 1997. - V. - P.95.

114. Thin-film dc SQUID gradiometer using a single YBaiCUlO layer/ V.

115. Zakosarenko, F. Schmidl et al.// Appl. Phys. Lett. 1994. - V.65. - P. 779.

116. Superconducting sensors for weak magnetic signals in combinationwith BiCMOS electronics at 77 К for different applications/ P.

117. Seidel, L. Dorrer et al.// Supercond. Sci. Technol. 2000. - V. 13. - P. 537.

118. Long Baseline Thin Film SQUID Gradiometers/ R. Stolz, V.M. Zakosarenko, L. Fritzsch, N. Oukhanski, H.-G. Meyer// IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2001. - V.ll. - № 1. -P. 1257.

119. HTS dc SQUID Behavior in External Magnetic Fields/ V. Schultze,

120. N. Oukhanski et al.// IEEE Transactions on Applied Superconductivity. -2001.- V.ll. № 1.- P. 1319.

121. SQUID Gradiometers for Archeometry/A. Chwala, R. Stolz, R. Ijsselsteijn, V. Schultze, N. Ukhansky, H-G. Meyer, T. Schuler. // Superconductor Science and Technology. 2001. - V. 14. - № 12. -P. 1111.

122. Oukhanski N.N. Low-drift broadband directly coupled dc SQUID readout electronics / N.N. Oukhanski, R. Stolz, V. Zakosarenko, H.-G. Meyer// Physica C: Superconductivity. 2002. - V. 368. № 1-4. - P. 166.

123. HTS SQUID gradiometer for application without shielding/ V.

124. Schultze, R. Ijsselsteijn, A. Chwala, N. Oukhanski, V. Zakosarenko,

125. H.-G. Meyer// Superconductor Science and Technology. 2002. - V. 15.- P. 120.

126. Oukhanski N.N. Low noise, low power consumption high electronmobility transistors amplifier, for temperatures below 1 К / N.Oukhanski, M Grajcar, E IFichev, H.-G. Meyer //Rev. Sci. Instrum. 2003.-V. 74.-P.1145.

127. Experimental investigation of persistent-current qubits/ E. Il'ichev,

128. Th. Wagner, N. Oukhanski, A. Izmalkov, U. Hubner, T. May, H.E. Hoenig, H.-G. Meyer, M. Grajcar, D. Born, W. Krech// Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2003. Reihe VI. - Band 38. ISSN 0420-0195.-P. 454-458.